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新能源車再生制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)踏板感覺研究
鼓式制動(dòng)器、摩托車剎車圈、Drum brake、輪轂剎車圈專業(yè)生產(chǎn)廠家無錫九環(huán)2021年4月22日訊再生制動(dòng)功能為新能源車型必備功能,可有效提高新能源車輛續(xù)航里程。電控制動(dòng)助力器應(yīng)用于新能源車輛可提供再生制動(dòng)工況制動(dòng)踏板力協(xié)調(diào)功能,使得駕駛員所感受的踏板力跟傳統(tǒng)真空助力器車型相似。再生制動(dòng)工況踏板力補(bǔ)償依賴于制動(dòng)系統(tǒng)pV曲線,通過建立協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)系統(tǒng)的物理模型,運(yùn)用軟件自學(xué)習(xí)算法,調(diào)整軟件內(nèi)部預(yù)設(shè)的駕駛員制動(dòng)意圖參數(shù)曲線與實(shí)車制動(dòng)液量和壓力曲線相匹配。通過軟件的實(shí)車標(biāo)定與匹配以及實(shí)車測試,結(jié)果表明:采用軟件自學(xué)習(xí)的新能源協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)系統(tǒng),可以確保制動(dòng)踏板感覺在有制動(dòng)能量回收和無制動(dòng)能量回收時(shí)的一致性。

0 引言

隨著油耗和排放日漸嚴(yán)苛的需求以及新能源車型的普及,驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)向低真空和無真空發(fā)展,電控制動(dòng)助力器取代傳統(tǒng)真空制動(dòng)助力器已成為制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展主要趨勢,除了可以提供零真空制動(dòng)助力,還可以實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)踏板力調(diào)節(jié)以及主動(dòng)制動(dòng)等高級功能。踏板感覺是駕駛員在日常駕駛中最為敏感的,也是JDpower響應(yīng)全球客戶呼聲權(quán)威調(diào)研機(jī)構(gòu)中權(quán)重最高的一項(xiàng)。新型制動(dòng)助力系統(tǒng)的應(yīng)用,首先要提供安全可靠、良好的制動(dòng)踏板感覺。
隨著新能源車輛的推廣應(yīng)用,再生制動(dòng)功能成為新能源汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一,而電控制動(dòng)助力器的踏板力調(diào)節(jié)功能使得再生制動(dòng)可以達(dá)到0.3g減速度。對于傳統(tǒng)車輛的制動(dòng)過程,車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為制動(dòng)器的熱能。對于新能源車輛可通過具備發(fā)電功能的電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能,用來收集傳統(tǒng)車輛在制動(dòng)和滑行過程中的能量浪費(fèi),也稱為再生制動(dòng)回收,除改善燃油經(jīng)濟(jì)性外,也可延長制動(dòng)摩擦片的售后維護(hù)周期。由于再生制動(dòng)為一個(gè)動(dòng)態(tài)過程,再生制動(dòng)過程中電控制動(dòng)助力器如何提供穩(wěn)定的踏板感成為必須要解決的關(guān)鍵問題。
對于新能源車,再生制動(dòng)回收可以分為滑行制動(dòng)能量回收、疊加式制動(dòng)能量回收以及協(xié)調(diào)式制動(dòng)能量回收,而協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)減速度可以達(dá)到0.3g,滿足2021年CATC以及WLTC測試工況要求,成為再生制動(dòng)技術(shù)的主要方向。關(guān)于再生制動(dòng),國內(nèi)外已有相關(guān)研究,張京明等[1]針對混合動(dòng)力汽車的再生制動(dòng)系統(tǒng)的工作原理,依據(jù)理想的前后輪制動(dòng)力分配曲線,基于比例控制策略,合理分配摩擦制動(dòng)和再生制動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)更多的再生制動(dòng)能量回收。胡勝、黃妙華[2]建立了駕駛員制動(dòng)意圖模糊識別模型和基于遺傳算法的制動(dòng)力分配優(yōu)化模型,通過系統(tǒng)仿真,能夠有效提高制動(dòng)過程中的能量回收率。何莉萍等[3]考慮了制動(dòng)能量回收時(shí)駕駛員的安全性,提出了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的汽車輔助再生制動(dòng)系統(tǒng),可以監(jiān)控車輛與前車的相對距離和相對速度,來調(diào)節(jié)前輪的再生制動(dòng)力,提高了再生制動(dòng)過程中的車輛安全性。張雷等人[4]以分布式驅(qū)動(dòng)電機(jī)汽車為研究對象,提出再生制動(dòng)與液壓制動(dòng)協(xié)調(diào)控制策略,以保證在電動(dòng)汽車防抱死制動(dòng)過程中的車輛穩(wěn)定性。
再生制動(dòng)工況下的制動(dòng)踏板感的調(diào)解,是再生制動(dòng)客觀體驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。張建亮、趙鍇鍇[5]針對再生制動(dòng)系統(tǒng)踏板感覺模擬器,通過AMESim軟件仿真,得到了與傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)一致的制動(dòng)踏板感覺。陳慶樟等[6]以傳統(tǒng)液壓制動(dòng)踏板感為目標(biāo),采用軌跡跟蹤控制策略,建立了再生制動(dòng)集成系統(tǒng)踏板控制模型。侯付來[7]對再生制動(dòng)與液壓制動(dòng)的協(xié)同控制策略和控制裝置進(jìn)行了研究,運(yùn)用AMESim搭建再生制動(dòng)系統(tǒng)模型,研究影響制動(dòng)踏板感覺的關(guān)鍵因素。

1 協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)模型

1.1 協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)原理

協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)工況,需要車輛的制動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作來實(shí)現(xiàn)。如圖1所示,以電控制動(dòng)助力器以及電子穩(wěn)定控制器ESC作為協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)的系統(tǒng)解決方案,可實(shí)現(xiàn)0.3g減速度的再生制動(dòng),滿足95%以上的日常制動(dòng)工況,降低能耗,提升車輛續(xù)航里程。電控制動(dòng)助力器通過軟件標(biāo)定,可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)踏板感覺的調(diào)節(jié),同時(shí)此電控制動(dòng)助力器采用傳統(tǒng)助力器相同主缸,具有耦合的制動(dòng)踏板以及明確的ABS路感。再生制動(dòng)系統(tǒng)綜合考慮車輛穩(wěn)定性狀態(tài)平衡摩擦力矩和再生制動(dòng)力矩,基于電控制動(dòng)助力器以及電子制動(dòng)控制單元實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)式再生制動(dòng),文中研究再生制動(dòng)工況電控制動(dòng)助力器制動(dòng)踏板感覺。
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圖1 協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)系統(tǒng)工作原理
協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)系統(tǒng)主要功能如下:(1)通過踏板行程傳感器以及主缸壓力信號判斷駕駛員制動(dòng)意圖;(2)提供制動(dòng)助力功能,使得駕駛員用較小的踏板力達(dá)到所需車輛減速度,減輕駕駛員疲勞、提高駕駛舒適性,其電控制動(dòng)助力器電機(jī)為制動(dòng)助力動(dòng)力源;(3)通過CAN總線分配再生制動(dòng)力矩,通過制動(dòng)液控制在卡鉗端產(chǎn)生的摩擦制動(dòng)力。其再生制動(dòng)力矩只能作用在驅(qū)動(dòng)軸端,再生制動(dòng)力矩大小跟車輛狀態(tài)有關(guān),比如電池電量、電機(jī)再生制動(dòng)能力、車輛穩(wěn)定性狀態(tài)、駕駛員制動(dòng)意圖等。
協(xié)調(diào)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)僅在駕駛員踩下制動(dòng)時(shí)工作,制動(dòng)力由再生制動(dòng)力和制動(dòng)器摩擦制動(dòng)力相疊加,使得其總和等于駕駛員的需求制動(dòng)力。在協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)工況下,駕駛員踩下制動(dòng)踏板后,制動(dòng)液儲存在ESC的低壓蓄能器中,確保輪缸卡鉗端不建壓,以此電機(jī)的反向扭矩施加在輪端來提供車輛的對應(yīng)減速度。
以一輛車速120 km/h車輛進(jìn)行0.25g減速度恒定制動(dòng)為例,如圖2所示,由于電機(jī)具備高速恒功率低速恒扭矩特性,高車速時(shí)再生制動(dòng)能力不足,則制動(dòng)減速度由液壓制動(dòng)和再生制動(dòng)共同承擔(dān);隨著車速的降低,電機(jī)再生制動(dòng)能力增強(qiáng),可全部由再生制動(dòng)來承擔(dān)制動(dòng)減速度,液壓制動(dòng)減少,主缸壓力減??;由于低車速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)散熱需求,再生制動(dòng)能力緩慢降低到0,為了確保減速度恒定,液壓制動(dòng)需要進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償,液壓制動(dòng)增大,主缸壓力增大。在這個(gè)過程中由于再生制動(dòng)為動(dòng)態(tài)過程且實(shí)時(shí)變化,為了確保減速度等同于駕駛員需求,液壓實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié),導(dǎo)致主缸壓力為動(dòng)態(tài)變化的過程。除了受驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)再生制動(dòng)能力的影響,主缸壓力還會(huì)受到車輛穩(wěn)定性狀態(tài)的影響、駕駛員制動(dòng)意圖的變化,從而需求根據(jù)理想的制動(dòng)踏板感覺曲線和實(shí)施變化的主缸壓力,進(jìn)行軟件調(diào)試,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)踏板力的平衡以及踏板力的穩(wěn)定。
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圖2 再生制動(dòng)特性曲線

1.2 協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)踏板感覺模型

協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)的運(yùn)用,需要考慮駕駛員制動(dòng)踏板感覺的設(shè)計(jì)優(yōu)化,即需要滿足在無協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)時(shí)和有協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)踏板感覺的一致性。電控制動(dòng)助力器物理模型如圖3所示。
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圖3 電控制動(dòng)助力器物理模型
由電控制動(dòng)助力器物理模型可知,駕駛員通過踏板推桿輸入踏板力,電機(jī)助力通過小齒輪、大齒輪和滾珠絲杠機(jī)構(gòu)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為絲杠的直線運(yùn)動(dòng)推動(dòng)閥體,同時(shí)駕駛員踩制動(dòng)踏板作用在輸入推桿的力可以推動(dòng)反饋盤,輸入推桿和閥體共同將作用力施加在反饋盤上,推動(dòng)主缸活塞移動(dòng),實(shí)現(xiàn)制動(dòng)壓力的建立。踏板推桿與閥體的相對位移可以通過位移傳感器檢測,通過控制踏板推桿與閥體的相對位移大小,可以實(shí)現(xiàn)不同的電機(jī)制動(dòng)助力比。
在駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí),踏板力和電控制動(dòng)助力器電機(jī)助力共同克服制動(dòng)液壓系統(tǒng)反力。根據(jù)BFI目標(biāo)要求,可以通過電控制動(dòng)助力器標(biāo)定實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)制動(dòng)助力大小,根據(jù)力平衡原理,確保恒定踏板行程下駕駛員制動(dòng)踏板輸入力保持不變。
根據(jù)牛頓力學(xué)定律以及電控制動(dòng)助力器的物理模型,通過受力分析,可以得到對應(yīng)的電控制動(dòng)助力的力學(xué)平衡方程如下:
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式中:Fpedal為駕駛員作用在踏板上的力;Fboost是通過電機(jī)作用的助力;Fspring是回位彈簧的作用力;Fhydraulic是主缸的液壓反作用力。
由電控制動(dòng)助力的力學(xué)平衡方程可知,對于選定的電控制動(dòng)助力器,通過調(diào)節(jié)電機(jī)的助力大小,可以實(shí)現(xiàn)不同的制動(dòng)踏板感,以及實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)工況踏板力的調(diào)節(jié)。

2 基于協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)踏板感覺調(diào)節(jié)

由協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)的工作原理以及電控制動(dòng)助力的力學(xué)平衡方程可知,在制動(dòng)能量回收的工況下,由于ESC將輪缸液量儲存入低壓蓄能器,電控制動(dòng)助力器主缸的液壓反作用力Fhydraulic將下降,需實(shí)時(shí)控制踏板推桿與閥體的相對位移大小,以平衡駕駛員制動(dòng)踏板力,保證制動(dòng)能量回收時(shí)良好的踏板感覺一致性。
制動(dòng)踏板感覺依賴于制動(dòng)系統(tǒng)p-V曲線,其中p為制動(dòng)系統(tǒng)壓力,V為制動(dòng)液流量,如圖4所示,p-V曲線可以轉(zhuǎn)化為推桿行程壓力曲線s-p曲線,如圖5所示,其中s為輸入推桿行程,p為制動(dòng)系統(tǒng)壓力,以s-p曲線作為控制目標(biāo)。再生制動(dòng)工況過程中,根據(jù)s-p曲線計(jì)算一定推桿行程下虛擬的主缸壓力。以輸入推桿行程sa為例說明,即駕駛員意圖的主缸壓力SPD(SP Demand)=pa0,進(jìn)而得到整車所需的總的制動(dòng)力矩。以再生制動(dòng)力矩可以換算為pa2,那么實(shí)際液壓則對應(yīng)于pa0-pa2,此部分液壓由ESC進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。
當(dāng)車輛制動(dòng)踏板感覺BFI曲線設(shè)定之后,如圖6,BFI曲線包含了3組關(guān)系:踏板行程-減速度曲線,踏板力-減速度曲線,踏板力-踏板行程曲線;一定的制動(dòng)系統(tǒng),踏板行程-踏板減速度根據(jù)s-p曲線為確定的關(guān)系,那么踏板力是可調(diào)參數(shù),設(shè)定了一組BFI1踏板力-踏板減速度曲線之后,那么踏板力和踏板行程關(guān)系則確定;通過調(diào)節(jié)不同減速度下對應(yīng)的踏板力,可以得到不同的踏板力和踏板行程關(guān)系,如圖6中BFI2所示。
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圖4 壓力流量p-V曲線
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圖5 推桿行程壓力s-p曲線
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圖6 制動(dòng)踏板感覺BFI調(diào)節(jié)關(guān)系示意
以駕駛員的踏板推桿行程為輸入,基于PID控制的制動(dòng)助力控制,實(shí)現(xiàn)制動(dòng)踏板感控制,具體的協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)制動(dòng)踏板感控制算法如圖7所示。
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圖7 協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)制動(dòng)踏板感控制算法
由于實(shí)際的制動(dòng)系統(tǒng)不同車輛之間p-V曲線一致性存在一定帶寬,并且同一輛車不同工況比如溫度不同,高速低速轉(zhuǎn)彎工況,卡鉗Cp值變化導(dǎo)致轉(zhuǎn)換的不同推桿行程對應(yīng)的主缸壓力變化。由于再生制動(dòng)工況,其摩擦制動(dòng)液壓力計(jì)算來源于s-p曲線,為了確保有再生制動(dòng)和無再生制動(dòng)BFI線性度和一致性,需要獲取當(dāng)前車輛準(zhǔn)確的s-p曲線。為了獲取準(zhǔn)確的s-p曲線,需要在低車速純摩擦制動(dòng)工況下,根據(jù)主缸壓力傳感器得到的主缸壓力pMC_actual以及推桿行程傳感器獲取的推桿行程sactual進(jìn)行迭代計(jì)算學(xué)習(xí),得到SPD學(xué)習(xí)系數(shù)??刂扑惴ㄖ校琒PD學(xué)習(xí)是根據(jù)不同車輛的實(shí)際制動(dòng)系統(tǒng)建壓能力大小,不斷地將軟件內(nèi)部預(yù)設(shè)的液量與壓力的相關(guān)曲線進(jìn)行自學(xué)習(xí),以靠近實(shí)際車輛的液量與壓力的曲線,具體學(xué)習(xí)過程如圖8所示。
圖8 SPD學(xué)習(xí)過程
ESC在檢測到實(shí)際車輛的踏板行程與壓力的關(guān)系曲線與軟件內(nèi)預(yù)設(shè)的曲線不一致時(shí),會(huì)在純液壓制動(dòng)工況下,選取3個(gè)不同推桿行程對應(yīng)的點(diǎn),通過如下算法將踏板行程壓力曲線不斷往實(shí)車曲線靠近,每個(gè)點(diǎn)選取40個(gè)pMC_actualy壓力值的平均值進(jìn)行迭代。
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式中:α為SPD學(xué)習(xí)系數(shù)。

3 試驗(yàn)測試結(jié)果

通過SPD自學(xué)習(xí)的算法應(yīng)用以及實(shí)車的匹配與測試,得到車輛在不同擋位下的制動(dòng)踏板感參數(shù),由于N擋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是切斷狀態(tài),驅(qū)動(dòng)電機(jī)無法做電機(jī)制動(dòng),因此N擋可以模擬無制動(dòng)能量回收工況下的制動(dòng)踏板感,而D擋為驅(qū)動(dòng)擋,可以得到制動(dòng)能量回收工況下的制動(dòng)踏板感。
測試在車輛有制動(dòng)能量回收和無制動(dòng)能量回收下的制動(dòng)踏板感,得到制動(dòng)踏板感的對比如圖9—圖11所示,相比未優(yōu)化前制動(dòng)踏板感覺線性度以及一致性明顯提高。
圖9 D擋和N擋下踏板行程和踏板力的關(guān)系
圖10 D擋和N擋下踏板力和車輛減速度的關(guān)系
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圖11 D擋和N擋下踏板行程和車輛減速度的關(guān)系

4 結(jié)論

以新能源車協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)踏板感為研究對象,針對協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)系統(tǒng)踏板感調(diào)節(jié)難的問題,提出基于軟件SPD自學(xué)習(xí)的算法,進(jìn)行再生制動(dòng)工況下的制動(dòng)踏板感調(diào)節(jié)。運(yùn)用基于電控制動(dòng)助力器和ESC的協(xié)調(diào)式再生制動(dòng)系統(tǒng)方案,通過對電控制動(dòng)助力器控制策略的研究,并經(jīng)過實(shí)車測試驗(yàn)證,得到在有能量回收和無能量回收的工況下制動(dòng)踏板感覺一致性較好的結(jié)論。

作者:朱玙熹,崔海峰,馬加奇

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